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第1章 二极管(Diode)及其电路
内容：
1、讨论半导体材料及特性
2、PN结的形成及特性
3、二极管电路——模型分析法（分段线性模型）
4、二极管应用电路
整
流
稳
压
限
幅
1.1 半导体材料及特性
一、半导体材料
硅（Si）
+14
(a)
锗（Ge）
+4
砷化镓（GaAs）
+32
+4
惯性核模型
(b)
硅和锗的原子结构模型
二、 本征半导体(Intrinsic Semiconductors)
定义：完全纯净,结构完整的半导体晶体。
特性：T=0K（–273℃），本征半导体中没有可移动的带电粒
子（载流子），不能导电，相当于绝缘体。
(a)
原子晶阵四面体结构
共价键
共价键中的
两个电子
£ «4
£ «4
£ «4
£ «4
价电子
A
(b)
硅和锗共价键结构
1、本征激发
T↑（或光照）→价电子获得能量→挣脱共价键束缚→自由
电子→共价键中留下空位（空穴）
带正电
空穴
载流子
能移动
本征激发→
（自由）电子
空穴
特征：两种载流子数目相等。
复合：本征激发逆过程（电子空穴相遇→释放能量→成对消失）
2、热平衡载流子浓度ni
T一定时，本征激发和复合达到动态平衡——载流子浓度ni不变
ni=p0 =n0
p0 热平衡空穴浓度 n0 热平衡电子浓度
ni是温度的函数。T↑→ni↑↑
室温（T=300K）时，硅的 ni≈1.5×10 10cm -3，
锗的 ni≈2.4×10 13cm -3 ，
硅的原子密度为4.96×1022 cm -3 ，
ni仅占原子密度三万亿分之一。
问题：本征半导体导电能力很低。
二、杂质半导体（Doped Semiconductor）
目的：提高半导体导电能力
方法： 掺入一定量的杂质元素，导电能力显著增加。
掺入五价元素（磷）
1、N型半导体
+4
+4
磷
原 +5
子
+4
多
余
电
子
杂质电离
+4
磷
原 +5
子
+4
+4
自
由
电
子
施主杂质（Donor）
多数载流子（多子）：电子
少数载流子（少子）：空穴
N型半导体：多电子、少空穴的杂质半导体。
掺入三价元素（硼）
2、P型半导体
+4
+4
+4
+4
硼
原 +3
子
+4
硼
原 +3
子
+4
多数载流子（多子）：空穴
少数载流子（少子）：电子
空穴
受主杂质（Acceptor）
结论：①多子的浓度由杂质浓度决定；
②少子的浓度与温度有关；半导体器件温度特性差的根源
三、漂移和扩散（两种导电机理）
1、漂移运动：载流子在电场的作用下的定向运动。
由此产生的电流——漂移电流（Drift Current）
2、扩散运动：由于载流子浓度分布不均匀而产生的运动。
相应产生的电流——扩散电流（Diffusion Current）
1.2
PN结的形成及特性
一、PN结形成
N区
P区
(a)
P区
耗尽层
空间电荷区
N区
(b)
ID
内建电场
IT
VB
(c)
PN结的形成
(a)初始状态; (b)平衡状态; (c)电位分布
载流子浓度差很大→多子扩散
运动（ID）→交界面处形成空间
电荷区（PN结）→内电场→阻
止多子扩散运动，少子产生漂
移运动（IT方向与ID相反）→达
到动态平衡（ID = IT）总电流为
零→PN结宽度一定
内建电位差VB
Na Nd
VB  VT ln
2
ni
kT
VT 
q
热电压
室温
VT  26mV
硅 VB=0.5~0.7V 锗VB ≈0.2~0.3V
T↑→VB↓(负温度系数) -2.5mV/℃
二、PN结的伏安特性
R
1、正向特性
P区
外电压与内电场方向相反
→PN结电位差↓→PN结
宽度↓→总电场↓→破坏原
来的平衡→扩散加剧，漂
移减弱→形成较大的正向
电流
V
+
-
未加偏压时
的耗尽层
N区
(
加正偏
压时的
耗尽层
未加偏压时
的电位分布
V B-V
合成电场
VB (
V
2、反向特性
外电压与内电场方向相同
→PN结电位差↑→PN结宽
度↑→总电场↑→破坏原来的
平衡→阻止扩散，加剧漂移
→形成非常小的反向电流
（不计）IS：反向饱和电流，
几乎与外加电压大小无关
硅 IS≈（10
-
+
(
未加偏压
时耗尽层
加反偏压时耗尽层
-9~10 -16）A
VB
锗 IS≈（10 -6 ~10 -8）A
IS是温度敏感的参数
T↑→ IS↑
R
合成电场
VB +V
(
3、伏安特性
根据理论分析，PN结的电流与端电压存在如下关系:
v
VT
i  I S (e 1)
①正偏且
v  VT
（或v＞100mV）上式简化为：
i  ISe
②反偏且
v  VT
时，
v
VT
i  I S
PN结的伏安特性曲线
i
0
结论：（1）PN结单向导电性。
（2）PN结是非线性的。
v
三、PN结的击穿特性
i
V(BR)
0
v
V（BR）为击穿电压
雪崩击穿
PN结发生反向击穿的机理可以分为两种
齐纳击穿
1、雪崩击穿
碰撞电离：高速运动的载流子碰撞中性原子的价电子，产生电
子空穴对的现象。
PN结反偏→少子漂移运动→会与中性原子的价电子相碰撞→当
反向电压达到一定值时，→少子动能很高→发生碰撞电离→产
生新的电子、空穴对→新产生的电子、空穴被强电场加速后，
又会撞出新的电子、空穴对→载流子数目倍增→反向电流剧增
产生雪崩击穿的条件：轻掺杂的PN结→耗尽区较宽
碰撞电离——载流子数目倍增
2、齐纳击穿
重掺杂的PN结→耗尽区很窄→反向电压→耗尽区内形成很
强的电场→反向电压大到一定值→强电场足以将耗尽区内中
性原子的价电子直接拉出共价键→产生大量电子、空穴对
（场致激发）→使反向电流急剧增大。
PN结，V（BR）>6V时为雪崩击穿；
V（BR） <6V时为齐纳击穿； V（BR）在6V左右时，两种击穿都
有。
击穿的性质
电击穿：可逆的，可以利用。
热击穿：永久的，PN结烧坏。
四、PN结的电容特性
Q
电容特性：电荷量随电压变化的特性。 C 
V
1、势垒电容CT
PN结两端电压变化→空间电荷数变化
CT 
CT (0)
1  V / VB 
n
n为变容指数
势垒电容是非线性电容
2、扩散电容CD
扩散过程中，载流子积累的数量，随外加电压而变化。
N
区
耗
尽
区
P 区
0
x
np
②
n p (0)
P区少子浓度分布曲线
¦¤Qn
①
np 0
0
Ln
x
3、PN结电容
PN结上的总电容Cj为
Cj= CT + CD
正偏时以CD为主， Cj ≈ CD ，其值通常为几十至几千pF；
反偏时以CT为主， Cj ≈ CT，其值通常为几至几十pF。
高频工作时，考虑Cj的影响。
4、变容管
PN结反偏时，呈高阻状态，近似
开路，PN结为较理想的电容器
1.3 二极管及其基本电路
二极管的结构：由PN结加上电极引线和管壳构成的。
正极
positive
P
N
负极
(a) 结构示意图
正极
负极
(b) 电路符号
negative
i
一、二极管的伏安特性
iD  I S (e
vD
VT
1)
V(BR)
0
导通电压：VD(on）
V > VD(on)时，二极管导通，电流 i 有明显数值，
V < VD(on)时，电流 i 很小，二极管截止。
硅管：VD(on)=0.5~0.7V
锗管：VD(on)=0.1~0.25V
v
二、二极管的主要参数
RD 
VQ
IQ
1、 直流电阻和交流电阻

v
rd 
i Q
二极管的直流电阻: 与静态工作点有关
V
RD1  D1
I D1
RD2
VD2

I D2
交流电阻的求法：
rd  dv
di Q
（1）图解法：Q点切线斜率的倒数。
（2）公式法：从二极管的伏安特性表达式中导出
iD  IS (e
dvD
rd 
diD
vD
VT
Q
 1)
VT 26 mV


ID
ID
diD
dvD
Q
IS
 e
VT
vD
VT
Q
IS
 e
VT
VD
VT
ID

VT
与静态工作点有关
2、二极管极限参数
（1）最大整流电流IF
IF指二极管允许通过的最大正向平均电流。实际应用
时，流过二极管的平均电流不能超过此值。
2、最大反向工作电压VRM
VRM指二极管工作时所允许加的最大反向电压，超过
此值容易发生反向击穿。通常取V(BR)的一半作为VRM 。
3、反向电流IR
IR是二极管截止时的反向电流，IR愈小，二极管的单向
导电性愈好。
i
三、二极管等效模型
1、理想模型
0
i
v<0
1
O
（a）理想特性
v≥0
2
v
（b）等效开关电路
（c）电路符号
v
i
2、恒压模型
i
v<VD(on)
1
v≥VD(on)
VD(on)
（a）恒压降特性
v
2
VD(on)
O
0
VD(on)
v
（b）等效开关电路
（c）电路符号
i
3、折线模型
i
v<VD(on)
1
v=VD(on)
RD
VD(on)
（a）折线特性
v
2
VD(on)
O
0
VD(on)
RD
v
（b）等效开关电路
（c）电路符号
4、二极管小信号模型
v  VQ  v
v  Vm sin t
i  I Q  i
i  I m sin t
Vm

v
rd 

i I m
四、二极管电路分析方法
KVL：
V  VDD  IR
VD的伏安特性： I  f V 
1、图解分析法（Graphical Analysis）
利用二极管伏安特性曲线，曲线与管外电路方程（负载线）的
交点Q，即为所求静态工作点（IQ，VQ）
V  VDD  IR
2、简化分析法
二极管用简化的电路模型：折线模型（a)图
当VDD  VD(on ) 时,二极管导通,等效电路(b)图。
VDD  VD on 
IQ 
,
R  RD
VQ  VD on   I Q RD
通常R >> RD，RD可忽略,
VDD  VD on 
IQ 
,
R
VQ  VD on 
3、小信号电路分析法
VDD  10 V VDD  sin 2π 100t  V  R  10 k
试求二极管两端的交流电压V 。
例1.1 已知
V
10
IQ  DD   1 mA
R 10
V  VDD
VT
rd 
  26 /1   26 
IQ
rd
 2.6 sin 2 100t (m V)
R  rd
V  5.2m V
1.4 二极管应用电路
一、整流
整流：将交流电压变为单极性电压。
当正弦信号正半周时，二极管导通，vo=vi ；负半周时，二极管
截止， vo =0。
vi
＋
vi
D
RL
－
＋
vo
0
t
vo
－
0
(a)
t
(b)
二、稳压电路
稳压二极管（稳压管 ）
i
+
+
主要参数如下:
(1)稳定电压VZ
(2)稳定电流IZ
最小稳定电流IZmin
-
VZ
A
最大稳定电流IZmax
-
O
IZmin
IZ
B
IZmax
结论：利用稳压二极管可以构成稳压电路和限幅电路。
v
稳压电路
Vi为有波动的输入电压，并满足Vi >VZ。R为限流电阻，RL为负载。
i
VZ
A
O
v
IZmin
IZ
B
IZmax
【例1.2】 Vi  8 V
R  100 
VZ  5 V
试求当负载电阻RL值减小到多少时，电路将失去稳压作用？
设稳压管VDz截止
RL
Vi 
 VZ
R  RL
RL
8
5
100  RL
解得
RL  167 
三、限幅电路
一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路。
VIL  vI  VIH
vI  VIL
vO  AvI
vO  VO min
vI  VIH
vO  VO max
1、利用二极管的正向导通特性实现限幅
vI/V
5
＋
R
0
vo
-5
－
2.7
D
vI
－
＋
2V
V
t
vo/V
0
(a)
t
-5
(b)
双向限幅电路
设V1 = V2 = 3 V
2、利用稳压管实现限幅
VI  VD ( on )  VZ 1
D2 导通，D1击穿
VIH  VD ( on )  VZ 1
VO max  VD ( on )  VZ 1
VI  (VD ( on )  VZ 2 )
D1导通，D2击穿
VIL  (VD ( on )  VZ 2 )
VO min  (VD ( on )  VZ 2 )
VIL  VI  VIH
D1 、D2截止
VO  VI
1.3 设二极管是理想的，试判断图中二极管的状态，并求电路的输出电压和流过二极
管的电流。
1.4 二极管电路如图，计算输出电压（相对于地的电位）VO和电流ID。
1.5 二极管电路如图所示，电路中，已知输入电压
画出输出电压
vi  10sin t (V)。
v o 的波形：（1）二极管为理想模型；（2）二极管为恒压降模型。
1.9 理想二极管电路如图所示，判断各二极管的状态，并计算输出电压。